不同施氮水平对紫云英腐解与土壤供氮特性的影响

马艳芹　杨文亭　黄国勤

摘要：【目的】探讨不同施氮水平下紫云英腐解特征及对土壤供氮特性的影响，为南方稻田冬季绿肥资源的合理利用和农田养分科学管理提供理论依据。【方法】采用盆栽法将紫云英装入尼龙网袋内后置于水稻盆中，设不同的施氮水平（A：不施氮；B：减氮40%，1.8 g/盆；C：常规施氮，3.0 g/盆），分别于装盆后第3、6、10、20、30、40、50、60、70、80和90 d取样测定紫云英全氮含量，并于网袋取走后收集土样测定土壤全氮、碱解氮、铵态氮和硝态氮含量。【结果】不同施氮水平下紫云英的腐解速率表现出前期快、后期慢的特征，其中前10 d为快速腐解期，10～50 d为缓慢腐解期，50～90 d为稳定腐解期，经过90 d腐解，3个处理的紫云英腐解率均在60.0%以上；紫云英腐解前30 d，水稻群体吸氮量整体较低，3个处理间无显著差异（P>0.05，下同），40 d后水稻群体吸氮量开始迅速增加，第90 d时3个处理的水稻群体吸氮量均达最大值；施氮对紫云英还田后的土壤氮素含量有一定影响，尤其是对碱解氮、铵态氮和硝态氮影响明显，但对全氮影响不明显。相关性分析结果表明，紫云英腐解第3 d时，土壤全氮与施氮量间呈极显著相关（P<0.01，下同），土壤碱解氮、铵态氮和硝态氮与施氮量间呈显著相关（P<0.05），前30 d中，施氮量与紫云英养分释放量、植株群体吸氮量间相关性不显著，到第40 d时，紫云英施氮量、水稻群体吸氮量则与土壤全氮和碱解氮间呈极显著相关。【结论】不同施氮水平下紫云英腐解和氮素释放量均呈现出前期快后期慢的特征，适当的氮肥施用量可刺激紫云英腐解和氮素释放，增加土壤中碱解氮、全氮和矿质态氮含量，提高土壤氮库活性成分和土壤供氮能力，以常规施氮基础上减施40%氮效果较好。

关键词： 施氮；紫云英；腐解；土壤氮素

中图分类号： S158.3 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）09-1745-08

0 引言

【研究意义】紫云英是我国南方水稻区主要的冬种绿肥作物之一，其在改良土壤、改善土壤生态环境、增加后茬作物產量方面发挥着重要作用（林多胡和顾荣申，2008）。紫云英翻压还田后可活化土壤中的营养元素，改善土壤物理性状，提高土壤养分含量（刘英等，2007；徐明岗等，2008；赵娜等，2011；吕鹏超等，2015）和有机碳库管理指数（杨滨娟等，2014），促进作物对养分的吸收利用。近年来，我国耕地重用地轻养地，且无机化肥施用量过高，导致一些地区耕地退化、土壤质量下降，作物病虫害加重，严重影响了水稻产量和品质的提高（徐祥玉等，2009）。冬季种植紫云英翻压还田，可替代部分化学氮肥，是当前国家化肥减量作物增效的重要方式之一，也是南方稻区重点推广的耕作模式之一。因此，了解紫云英的腐解规律和养分释放特征，明确紫云英翻压还田后对土壤养分及作物养分吸收状况的影响，有利于充分合理利用绿肥，减少稻田无机化肥用量，实现农业的可持续发展。【前人研究进展】目前，已有学者对绿肥还田后的腐解速度和养分释放规律进行研究。王岩和刘国顺（2006）研究了绿肥翻压后的分解规律及其对烟叶品质的影响，结果表明，经过13周的分解，苜蓿中有机碳的矿化率高达81%，氮素矿化率为54%，黑麦草有机碳的矿化率为63%，氮素矿化率为22%。王允青等（2010）研究表明，前期低量紫云英还田腐解最快，腐解率达58.07%～62.08%，高量紫云英还田腐解最慢，腐解率为40.50%～50.31%，施肥可提高紫云英的腐解率。赵娜等（2011）研究了旱地豆科绿肥（长武怀豆、大豆和绿豆）在土壤中长达287 d的养分释放状况，结果显示3种绿肥均表现出前期腐解快、后期腐解慢的特点，氮、磷、钾在最初的21 d内快速释放，其中钾释放最彻底。牟小翎等（2015）研究发现，二月兰和毛苕子两种绿肥均在翻压后14 d内腐解较快，随后腐解速率变慢，翻压80 d时，累积腐解率分别为66.92%和63.12%。邓小华等（2015）研究表明，绿肥养分在翻压后7周内以氮的释放量最大。黄晶等（2016）研究发现，紫云英还田后，不同施肥处理对其腐解及养分释放无明显影响，氮、磷、钾最大累计释放率分别为84.2%～86.7%、85.3%～89.3%和89.9%～98.0%。李忠义等（2017）研究了覆盖还田、土埋还田和水淹还田方式下豆科植物拉巴豆茎秆腐解和养分释放规律，结果表明3种处理下的拉巴豆茎秆在0～20 d腐解速率较快，之后腐解缓慢，至100 d时的累计腐解率分别达42.4%、74.3%和66.9%。【本研究切入点】目前关于绿肥腐解的研究多集中在旱作土壤（棉田、果园、烟田），关于稻田绿肥腐解及养分释放规律的研究较少。同时，紫云英还田后，水稻不同施肥量会对土壤肥力状况、土壤养分形态及有效性产生一定影响（徐昌旭等，2011），必然会影响紫云英的腐解特征，而目前关于不同施肥量下紫云英腐解规律与养分释放规律的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】采用盆栽法将紫云英装入尼龙网袋后置于水稻盆中，设不同施氮水平，定期取样分析紫云英养分释放和腐解情况，对紫云英还田后的腐解和土壤供氮特性进行研究，以期揭示施氮对紫云英腐解与土壤供氮机制的影响，为南方稻田冬季绿肥资源的合理利用和农田养分科学管理提供依据。

1 材料与方法

1. 1 试验地概况

试验于2015年3—7月在江西农业大学科技园生态科学研究中心稻田长期定位试验田（东经115°55′，北纬28°46′）中进行。试验地气候类型为亚热带季风性湿润气候，湿润温和，日照充足，夏冬季长，春秋季短；年平均气温17.0～17.7 ℃，极端最高气温40.6 ℃，极端最低气温-9.7 ℃；年降雨量1600～1700 mm，降水日147.0～157.0 d，年平均暴雨日5.6 d，年平均相对湿度78.5%；年日照时数1723～1820 h，日照率40%；年平均风速2.3 m/s；年无霜期251～272 d。

1. 2 试验材料

供试土壤采自江西鹰潭市余江县农业科学研究所长期定位试验点0～20 cm的表层土壤，为土质肥沃的泥沙淤积土，土壤晾干后用20目筛子剔除枯枝落叶杂草等，充分混匀后装盆备用。试验前盆栽土的肥力状况见表1。

供试紫云英品种为余江大叶籽，收割盛花期的鲜草，采集后立即运回放入0 ℃冰箱鲜藏待用，紫云英水含率87%，含氮率3.41%。水稻品种为金优458，移栽时间2015年5月2日。供试容器为直径40 cm、高28 cm的塑料盆，每盆装土15 kg。尼龙网袋规格为14 cm×14 cm，孔径大小200目，紫云英剪成3～4 cm小段，混匀装入袋中，每袋30.00 g，共计108袋。使用的化肥为尿素（N 46%）、钙镁磷肥（P2O5 12%）和氯化钾（K2O 60%）。

1. 3 试验方法

设3个施氮处理：（A）不施氮；（B）减氮40%（1.8 g/盆，相当于90 kg/ha）；（C）常规施氮（3.0 g/盆，相当于150 kg/ha），每处理36盆（即36次重复）。水稻盆栽磷肥和钾肥参照常规用量，分别为5.3 g/盆（70 kg/ha）和1.4 g/盆（120 kg/ha），肥料全部作基肥，在装盆时与土壤混匀后使用。装盆时，把装有紫云英的尼龙袋埋入盆中，顶层覆盖3 cm土层，在埋入第7 d时，每盆移栽水稻1蔸（3株）。试验过程中不定期加水，时刻保持盆内土壤湿润。

1. 4 测定项目及方法

取样方法：采用毁灭性取样法，每次各处理随机取3盆。（1）紫云英取样：分别于装盆后第3、6、10、20、30、40、50、60、70、80和90 d取样，用蒸馏水缓慢冲净粘附在网袋上的泥浆，先将样品放入烘箱后在105 ℃下杀青30 min，60 ℃下烘干，称重（即紫云英干物质剩余量），磨碎后测定紫云英全氮含量，并计算紫云英养分腐解率和释放率。（2）土壤取样：装有紫云英的网袋取走后，盆中泥土混匀后取鲜土壤50 g，用于测土壤全氮、碱解氮、铵态氮、硝态氮含量。（3）水稻植株取样：用蒸馏水缓慢冲净水稻根部泥土，按根、茎、叶、穗分开，在105 ℃烘箱内杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，称重并粉碎过筛（100目），测定植株根、茎、叶、穗中的氮含量。

植株全氮和土壤全氮采用半微量凯氏法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；铵态氮采用靛酚蓝比色法测定；硝态氮采用酚二磺酸比色法测定（韩瑛祚，2016）。

紫云英干物质累积腐解率（%）=（加入时干物质

2. 2 不同施氮水平下紫云英氮素释放特征

由图2可看出，在整个试验过程中，紫云英的氮素累积释放量与干物质腐解规律类似，前10 d时紫云英氮素释放较快，第10 d时处理A、B、C的氮素累积释放量分别为83.21、87.39和83.68 mg/盆，其中处理B显著高于其他处理（P<0.05，下同），氮素累积释放率分别为62.57%、65.71%和62.92%；第10～50 d氮素累积释放量及释放率与前一时期相比增幅较小，第50 d时，处理A、B、C的氮素累积释放量分别为110.42、97.17和104.36 mg/盆，累积释放率分别为83.03%、73.06%和78.48%；第50～90 d为氮素稳定释放期，该时期内氮素累积释放量及释放率均表现为处理A>处理C>处理B。

2. 3 不同施氮水平下水稻氮素吸收量

由图3可看出，紫云英腐解前30 d，水稻群体吸氮量在3个处理间无显著差异（P>0.05，下同），40 d后水稻群体吸氮量开始迅速增加，由第10 d时的3.44、3.92和3.71 mg/盆分别增加至15.14、22.32和24.06 mg/盆，其原因是水稻生长前期，植株根系不发达，吸氮能力较弱，而水稻生长中后期，根系发育迅速，水稻适应环境能力和吸氮能力增强；第90 d时3个处理的水稻群体吸氮量均达最大值，分别为36.53、77.07和76.96 mg/盆，处理B、C与处理A间差异显著，第40～90 d水稻的群体吸氮量约占整个生育期的58.56%～71.04%。

2. 4 不同施氮水平下土壤氮素变化特征

由图4可看出，施氮对紫云英还田后的土壤氮素含量有一定影响，尤其是对碱解氮、铵态氮和硝态氮影響明显，但对全氮影响不明显。随着腐解时间的延长，处理B和C的土壤全氮含量总体上呈逐渐下降趋势，处理A则呈先减少后增加的变化趋势（图4-A）。施氮及紫云英腐解后，土壤碱解氮含量随着腐解时间的延长而逐渐增加，到第10 d时各处理的碱解氮含量分别为285.83、278.83和339.50 mg/kg，10 d后处理A的碱解氮含量开始逐渐下降，到第40 d时达最低值，仅为141.17 mg/kg，处理B的碱解氮含量继续增加，到第30 d后才开始逐渐减少，到第80 d时达最低值，为145.83 mg/kg，处理C则是在第60 d后才开始下降，第90 d达最低值（图4-B）。各处理的土壤铵态氮含量整体上呈波动式下降趋势，至第80～90 d时达较低值（图4-C）。土壤硝态氮含量整体上呈先上升后下降的变化趋势，40 d后各处理硝态氮含量开始逐渐下降，到第80～90 d时达较低值（图4-D）。

2. 5 不同施氮水平下紫云英氮素释放、水稻氮素吸收及土壤氮素含量间的相关性

施肥及紫云英腐解主要发生于前40 d，故选取前40 d的紫云英养分释放量及土壤氮素含量进行相关性分析，其结果如表2所示。由表2可看出，紫云英腐解第3 d时，土壤全氮与施氮量间呈极显著相关（P<0.01，下同），土壤碱解氮、铵态氮和硝态氮与施氮量间呈显著相关，土壤碱解氮与铵态氮和硝态氮间呈显著相关。在前30 d中，施氮量与紫云英养分释放量、水稻群体吸氮量间相关性不显著，说明施氮对紫云英氮素释放量和水稻吸氮量无显著影响，但到第40 d时，紫云英施氮量、水稻群体吸氮量与土壤全氮和碱解氮间呈极显著相关。在前40 d中，土壤铵态氮与硝态氮间均呈极显著正相关。

3 讨论

3. 1 施氮对紫云英腐解的影响

本研究结果显示，新鲜紫云英翻压入土后，其腐解特征表现为前10 d为快速腐解期，在第10～50 d时腐解较缓慢，在第50～90 d时累积腐解速率较低，基本处于稳定时期，这种前期腐解较快、后期腐解较慢的规律与前人的研究结果（陈小燕等，2008；李新举等，2008；宁东峰等，2011；吕鹏超等，2015）相似。同时，本研究中前10 d时，不同施氮水平下各处理的紫云英累积腐解率以施氮90 kg/ha最高，而第10 d以后各处理的累积腐解速率并无明显规律，说明紫云英翻压还田后前10 d，减少一定量氮肥有利于促进紫云英的腐解，10 d以后施氮肥已不再是影响紫云英腐解的关键因素。在整个试验过程中，各处理的紫云英累积腐解率达62.8%～63.7%，该结果低于黄晶等（2016）的大田试验研究结果（64.8%～68.3%），高于刘威（2010）的模拟紫云英田间翻压结果（49.7%～51.0%），原因可能是紫云英翻压还田后，其在土壤中的腐解过程较复杂，受紫云英的鲜嫩程度、养分含量、碳氮比、翻压量、翻压深度及土壤温度、水分等环境因素的共同影响。

3. 2 施氮对紫云英养分释放的影响

本研究结果表明，紫云英翻压还田后的氮素释放特征与腐解特征动态曲线较相似，也表现为前期较快，后期较缓慢，符合紫云英养分释放特征。前10 d的紫云英氮素释放较快，各处理的累积释放率达62.57%～65.71%，其氮素释放量占整个生育期（90 d）的73.8%～82.6%，第10 d时处理B的氮素累积释放率显著高于其他两个处理，说明在紫云英翻压前期适当的氮肥施用量可刺激紫云英的氮素释放；第30 d时各处理的累积释放率为71.36%～73.54%，占整个生育期（90 d）的比例达85.4%～91.3%，说明紫云英翻压后其氮素释放主要集中于前30 d，第30 d后仍有一定释放，但释放量明显减少。不施氮处理的紫云英氮素累积释放量及释放率在第30 d后一直显著高于施氮处理，可能是由于30 d后水稻处理生长中后期，对氮素吸收利用较高。徐明岗等（2008）研究认为孕穗期至成熟期的养分累积总量占整个生育期的65.00%以上。不施氮处理无外源性氮肥补充，土壤氮素的匮乏和水稻植株生长的需要刺激了紫云英氮素的释放。徐昌旭等（2011）研究表明，翻压紫云英22500 kg/ha可替代20%～40%化肥用量，其养分释放主要集中于前10 d，如果该时期施入大量氮肥，则会造成水稻僵苗死苗，而水稻氮素吸收利用主要集中于水稻生长的中后期，因此对水稻氮肥的运筹应集中在中后期，适当减少基肥施用量，增加分蘖肥和穗肥的施用量，但三者间的搭配比例有待进一步研究。

3. 3 施氮对土壤供氮特性的影响

土壤中的氮素含量是评价土壤质量的重要指标，与作物的产量和品质密切相关。土壤中的氮素主要包括有机氮和无机氮两种氮素类型，其中可被植物直接吸收利用的无机态氮主要是铵态氮和硝态氮，土壤供氮对水稻吸氮至关重要。众多研究结果表明，水稻整个生育期所需的氮素有50%～80%来源于土壤（樊红柱等，2009；宋文博，2012；刘洋，2014），且随着施氮量增加，土壤供氮量随之增加，存在氮肥的激发效应（刘洋，2014）。本研究结果表明，在水稻生产前期，水稻的群体吸氮量与施氮量、土壤含氮量间无显著相关性，主要是由于该时期水稻刚移栽，根系吸收氮素能力较弱，虽然该时期土壤含氮量较高，但其对水稻氮素吸收影响较小，土壤供氮能力较弱。水稻分蘖盛期后，根系发育较快，吸氮能力增强，施氮对水稻植株吸氮量影响显著，水稻孕穗后植株吸氮量与土壤全氮和碱解氮显著相关。陈安磊等（2007）、朱霞等（2009）研究表明，氮素矿化和有机氮含量呈正相关，有机肥和化肥配合施用与不施肥的土壤相比，可显著增加土壤中碱解氮、全氮和矿质态氮含量，提高土壤氮库积累及其活性成分、土壤供氮能力，本研究结果与之类似。

4 结论

本研究结果表明，不同施氮水平下紫云英腐解和氮素释放量均呈现出前期快后期慢的特征，适当的氮肥施用量可刺激紫云英的腐解和氮素释放，以常规施氮基础上减氮40%的效果较好；同时鉴于紫云英腐解前期养分释放较多，建议水稻田紫云英翻压后适当减少水稻基肥施用量。紫云英还田与氮肥配施能显著增加土壤中的碱解氮、全氮和矿质态氮含量，提高土壤氮库活性成分和土壤供氮能力。

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（责任编辑 王 晖）